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3D-Kagome点阵夹芯板的力学性能研究

郑华勇  
【摘要】: Kagome点阵夹芯结构是近年来提出的一种力学性能十分优异的新型点阵夹芯结构。与四面体型、金字塔型点阵芯子结构相比,3D-Kagome芯子结构具有更高的强度和更好的抗屈曲性能,同时表现出更好的各向同性特性。 本文将芯子杆件单胞等效成相同几何尺寸的实体单胞,建立了芯子结构的有效性能计算模型。利用等应变理论,推导出该结构在面外载荷和横向剪切载荷作用下的等效屈服强度和刚度。利用材料力学相关知识,导出Kagome芯子的弹塑性失稳时的临界应力,并绘制出芯子的剪切屈服和失稳破坏图。对Kagome、四面体和蜂窝芯子的刚度、塑性屈服、弹性屈曲强度进行了比较研究,评价了各种结构性能的优劣。 建立了3D-Kagome点阵夹芯板在理想冲击载荷作用下的分析模型,将含有大量周期性单胞的芯子等效为实体结构,给出了芯子的等效强度和刚度,并建立了Kagome芯子的等效本构关系。采用瞬态动力学分析软件MSC.Dytran,模拟了Kagome夹芯板在理想冲击载荷作用下的响应,给出了结构的位移、速度及有效应力在整个时域上的响应曲线。研究了板的最大挠度随芯子相对密度、芯子的厚度参数和冲击载荷大小的变化规律,得出了该结构抵抗冲击的最优化设计方案。与相同重量的实体板比较,发现3D-Kagome点阵夹芯板在抵抗冲击、能量吸收和耗散等方面具有很大的优势。 利用有限元分析软件MSC.Nastran,对一种典型的3D-Kagome点阵夹芯板进行了固有频率和模态分析,得到了结构的低阶自由振动频率和模态,发现结构的振动具有梁和板的振动特性。以Kagome芯子杆件的半径和面板厚度为设计变量,分别以夹芯结构的频率最大化和重量最小化为目标进行了优化设计,得到了不同重量参数下,夹芯板的前两阶固有频率随杆件半径和芯子相对密度的变化曲线,分析了影响结构振动特性的各种因素。对典型的Kagome点阵夹芯板做出了进一步的优化,降低了结构的重量,并给出了最佳参数匹配值。


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